Что такое гидравлический разрыв пласта

Гидравлический разрыв пласта (ГРП или фрак, от английского hydraulic fracturing) является неотъемлемым процессом стимуляции скважины в процессе добычи нефти и газа из сланцевых пород.
Еще не так давно вокруг ГРП было очень много разговоров и очень многие организации выступали против разрешения на проведение ГРП. Главным аргументом против ГРП выдвигалась теория о том, что ГРП очень сильно загрязняет подземные источники пресной воды, вплоть до того, что из-под крана начинает течь вода с примесями газа, которые можно поджечь, о чем, кстати, был снят ролик, который попал во многие передачи и выпуски новостей.

В прошлый раз я рассмотрел тенденцию развития сланцевых месторождений в Техасе, объемы добычи и тенденцию увеличения количества скважин. Сегодня я затрону вопрос ГРП и мы посмотрим на то, как все выглядит на практике. А затем я расскажу о том, насколько правдивы разговоры о загрязнении пресных источников и пагубном влиянии ГРП. Так же я коснусь нашумевшего видео о том, как люди поджигаю воду в кране. Видео видели все, а вот историю за кадром этого видео почти никто не знает.

1. В начале разберемся с тем, что вообще такое ГРП, т.к. многие этого не знают. Традиционно нефть и газ добывались из песчаных пород, которые обладают высокой пористостью. Нефть в таких породах может свободно мигрировать среди песчинок к скважине. Сланцевые породы наоборот, имеют очень низкую пористость, а нефть в них содержится в трещинах внутри сланцевого пласта. Задача ГРП — увеличить эти трещины (или образовать новые), дав нефти более свободный путь к скважине. Для этого в нефтенасыщенный пласт сланца под высоким давлением нагнетается специальный раствор (на вид напоминающий холодец), состоящий из песка, воды и дополнительных химических добавок. Под высоким давлением нагнетаемой жидкости сланец образует новые трещины и расширяет уже имеющиеся, а песок (проппант) не дает трещинам сомкнуться, таким образом и улучшается проницаемость пород. ГРП бывает двух видов — проппантный (с использованием песка), и кислотный. Тип ГРП выбирается на основе геологии разрываемого пласта.

2. Для проведения ГРП требуется довольно большое количество техники и персонала. Технически же процесс идентичен не зависимо от компании, проводящей работу. К арматуре скважины подключается трейлер с блоком манифольдов. К этому трейлеру подключаются насосные установки нагнетающие раствор ГРП в скважину. За насосными станциями устанавливается смесительная установка, возле которой устанавливают трейлера с песком и водой. За всем этим хозяйством устанавливают станцию контроля. С противоположенной стороны арматуры устанавливается кран и каротажная машина.
***
Справа, на фотографии — блок манифольдов, слева — насосные трейлера, далее — арматура и за ней кран. Каротажная машина находится слева, за трейлерами. Ее видно на других фотографиях.

3. Процесс ГРП начинается в смесителе, куда подается песок и вода, а так же химические добавки. Все это смешивается до определенной консистенции, после чего подается в насосные установки. На выходе из насосной установки раствор ГРП попадает в блок манифольдов (это что-то вроде общего смесителя для всех насосных установок), после чего раствор отправляется в скважину. Процесс ГРП не проводится за один подход, а проходит этапами. Составлением этапов занимается команда петрофизиков на основе акустического каротажа, как правило, открытой скважины, проведенной во время бурения. В течении каждого этапа каротажная команда ставит в скважине заглушку, отделяя интервал ГРП от остальной скважины, после чего производит перфорацию интервала. Затем проходит ГРП интервала, и заглушка снимается. На новом интервале ставится новая заглушка, снова проходит перфорация, и новый интервал ГРП. Процесс ГРП может длится от нескольких дней, до нескольких недель, а количество интервалов может доходить до сотни.
***
Так выглядит смеситель. Шланги идущие к нему — линии подключения воды.

4. Помпы, используемые при ГРП оснащены дизельными двигателями мощностью от 1 000 до 2 500 л.с.. Мощные насосные прицепы способны нагнетать давление до 80 МПа, при пропускной способности 5-6 баррелей в минуту. Количество помп рассчитывается все теми же петрофизиками на основе каротажа. Высчитывается необходимое давление для разрыва пласта, и на его основе считается количество насосных станций. В течении работы количество используемых помп всегда превосходит расчетное количество. Каждая помпа работает в менее интенсивном режиме, чем это требуется. Делается это по двум причинам. Во-первых, это значительно сохраняет ресурс помп, во-вторых, при выходе из строя одной из помп она просто выводится из линии, а давление на остальных помпах слегка увеличивается. Таким образом поломка помпы не влияет на процесс ГРП. Это весьма важно, т.к. если процесс уже начат то остановка неприемлема.
***
Помпы подключенные к блоку манифольдов. «Будка» на заднем плане — пункт контроля работы смесителя. Противоположенный вид, от будки, — на второй фотографии.

5. Технология ГРП токовой не родилась вчера. Первые попытки «ГРП» предпринимались еще в 1900 года. Заряд нитроглицерина опускался в скважину, после чего детонировал. В то же время была опробования кислотная стимуляция скважин. Но оба метода, несмотря на раннее рождение, потребовали еще очень много времени, чтобы стать совершенными. Бум ГРП получил лишь в 1950-х годах, с развитием проппанта. Сегодня метод продолжает совершенствоваться и улучшаться. При стимуляции скважины продляется ее жизнь и увеличивается дебит. В среднем прирост нефтепотока к расчетному дебиту скважины составляет до 10 000 тонн в год. Кстати, ГРП проводится и на вертикальных скважинах в песчаннике, поэтому ошибочно думать, что процесс приемлем только в сланцевых породах и родился только что. Сегодня около половины скважин подвергаются ГРП стимуляции.

6. Тем не менее, с развитием горизонтального бурения очень многие люди стали высказываться против проведения стимуляций скважин, т.к. ГРП наносит вред окружающей среде. Было написано очень много трудов, снято видео и проведено расследований. Если читать все эти статьи, то все складно, но это только на первый взгляд, а мы же присмотримся к деталям.
***
Вид на блок манифольдов от арматуры. Кстати, ходить среди трейлеров и труб можно лишь во время каротажа, когда в системе нагнетания нет давления. Любой человек, появившийся среди трейлеров с помпами или труб во время проведения ГРП увольняется на месте без разговоров. Безопасность прежде всего.

7. Самый главный аргумент против ГРП — загрязнение грунтовых вод химическими веществами. Что именно входит в состав раствора — тайна компаний, но кое-какие элементы все же разглашены и есть в открытых публичных источниках. Достаточно обратиться к базе данных по ГРП «ФракФокус», и можно найти общий состав геля (1, 2). На 99% гель состоит из воды, лишь оставшийся процент — химические добавки. Сам проппант не входит в данном случае в подсчет, т.к. не является жидкостью, да и безвреден. Итак, что же входит в оставшийся процент? А туда входят — кислота, противокоррозийный элемент, фрикционная смесь, клей и добавки для вязкости геля. К каждой скважине элементы из списка подбираются индивидуально, всего их может быть от 3 до 12, попадающих в одну из вышеперечисленных категорий. Действительно, все эти элементы токсичны, и не приемлемы для человека. Примером конкретных добавок являются например: Ammonium persulfate, Hydrochloric acid, Мuriatic acid, Ethylene glycol.
***
Каротажная машина. Команда собирает заряды и готовит заглушку для проведения перфорации.

8. Как эти химические вещества могут подняться на верх минуя ловушки удерживающие нефть? Ответ мы находим в отчете Ассоциации по защите окружающей среды (3). Случиться это может либо из-за взрывов на скважинах, либо из-за разливов во время проведения ГРП, либо из-за разливов утилизационных бассейнов, либо из-за проблем с целостностью скважин. Первые три причины не в состоянии заразить источники воды на огромных площадях, остается лишь последний вариант, который сегодня официально подтвержден Академией наук США (4).

9. Кому интересно как отслеживается движение жидкостей внутри пород, то делается это с помощью так называемых трейсеров. Специальная жидкость, имеющая определенный радиационный фон, нагнетается в скважину. После чего в соседних скважинах, и на поверхности, ставят сенсоры, реагирующие на излучение. Таким образом можно смоделировать очень точно «общение» скважин между собой, а так же обнаружить утечки внутри обсадных колонн скважин. Не беспокойтесь, фон у таких жидкостей очень слабый, а радиоактивные элементы используемые при таких исследованиях очень быстро разлагаются не оставляя следов.

10. Нефть на поверхность поднимается не в чистом виде, а с примесями воды, грязи и различных химических элементов, в том числе и химическими добавками использованными во время ГРП. Проходя через сепараторы нефть отделяется от примесей, а примеси утилизируются через специальные утилизационные скважины. Говоря простым языком — отходы закачиваются обратно в землю. Обсадная труба зацементирована, но она ржавеет со временем, и в какой-то момент в ней появляется течь. Если труба имеет хороший цемент в затрубном пространстве — то это ржавчина не имеет значения, утечки из трубы не будет, если же цемента нет, или цементная работа была выполнена плохо — то жидкости из скважины попадут в затрубное пространство, откуда могут попасть куда угодно, т.к. течь может быть выше нефтяных ловушек. Эта проблема известна инженерам очень давно, и фокус на этой проблеме был заострен еще в начале 2000-х, т.е. задолго до обвинений в адрес ГРП. Еще тогда когда многие компании создали внутри себя отдельные ведомства отвечающие за целостность скважин и их проверку. Утечки могут приносить с собой в верхние слои пород много грязи, газа (не только природного, но и сероводорода), тяжелых металлов и способны заразить чистые источники воды и без химических элементов ГРП. Поэтому тревога поднятая сегодня является весьма странной, проблема существовала и без ГРП. Особенно это касается старых скважин, которым более 50 лет.

11. Сегодня регламенты многих штатов разительно быстро меняются, особенно это касается Техаса, Нью-Мексико, Пенсильвании и Северной Дакоты. Но к удивлению многих, — вовсе не из-за ГРП, а из-за взрыва платформы БП в Мексиканском заливе. Во многих случаях компании спешно проводят каротажи по проверке целостности обсадной трубы и цемента за ней, и передают эти данные в государственные комиссии. К слову заметить, что пока каротажи по целостности скважин официально никто не требует, но компании самостоятельно тратят деньги и делают данную работу. При неудовлетворительном состоянии скважины глушатся. Надо отдать должное инженерам, например из 20 000 скважин инспектированных в Пенсильвании, в 2008 году, было зарегистрировано лишь 243 случая утечек в верхние водные слои (5). Иными словами, ГРП не имеет отношения к заражению и газификации пресных вод, виной тому является плохая целостность скважин, которые не были заглушены вовремя. А токсичных элементов в нефтенасыщенных пластах полным полно и без химических добавок используемых во время проведения ГРП.

12. Другой аргумент, который приводят противники ГРП — чудовищное количество пресной воды требуемое для проведения операции. Воды для ГРП требуется действительно много. Отчет Ассоциации по защите окружающей среды дает цифры, всего с 2005 по 2013 года было использовано 946 млрд. литров воды, при том, что за это время было проведено 82 000 операций ГРП (6). Цифра интересная, если не задуматься. Как я упомянул до этого, ГРП начал широко использоваться с 50-х годов, но статистика начинается лишь с 2005, когда было начато массовое горизонтальное бурение. Почему? Хорошо было бы упомянуть общее количество операций ГРП и количество воды, израсходованное до 2005 года. Ответ на данный вопрос, частично, можно найти все в той же базе данных по ГРП «ФракФокус» — начиная с 1949 года было проведено более 1 миллиона операций ГРП (7). Так сколько же воды было использовано за это время? Об этом отчет почему-то не говорит. Наверное потому, что 82 тысячи операций как-то меркнут на фоне миллиона.

13. Вопросов к EPA (Environmental Protection Agency) тоже много. На EPA очень многие любят ссылаться, как на очень веский источник. Источник и в правду веский, но и веский источник может дать дезу. В свое время EPA нашумели на весь мир, проблема в том, что наделав шуму, мало кто знает чем все кончилось, а кончилась история весьма плачевно, для некоторых.
***
Так выглядит проппант. Его называет песком, на самом деле это не тот песок, который добывается в карьерах и в котором играют дети. Сегодня проппант изготавливается на специальных заводах, и бывает он разных видов. Обычно идентификация идет соразмерно песчинкам, например это — проппант 16/20. В отдельном посте непосредственно о процессе ГРП я подробно остановлюсь на типах проппанта и покажу его различные виды. А песком его называют потому, что при первом ГРП компания Халлибертон использовала обычный мелкий речной песок.

14. С EPA связано две очень интересные истории (8). Итак, первая история.
В пригороде Далласа, в городе Форт Ворс, нефтяная компания осуществляла бурение скважин для добычи газа, естественно с использованием ГРП. В 2010 году, региональный директор EPA, доктор (стоит обратить внимание на высокий статус и наличие хорошего, высшего, образования) Ал Армендариз, подал чрезвычайный иск в суд против компании. В иске говорилось что люди живущие вблизи скважин компании находятся в опасности, т.к. скважины компании газифицируют водные скважины находящиеся вблизи. В тот момент накал страстей вокруг ГРП был очень высок, и терпение ЖД комиссии Техаса взорвалось. Для тех, кто забыл — в Техасе вопросами земельного пользования и бурения занимается Железнодорожная комиссия. Была составлена научная группа, которую отправили для исследования качества воды. Верхний метан в под Форт Ворсом находится на глубине 120 метров и никакой шапки не имеет, в то время как глубина водных скважин не превышала 35 метров, а ГРП проходящий на скважинах компании был осуществлен на глубине 1 500 метров. Так вот, оказалось, что никаких тестов для исследования пагубного влияния EPA не проводили, а просто взяли и заявили, — ГРП загрязняет пресную воду, и подали в суд. А комиссия, взяла и провела тесты. Проверив целостность скважин, взяв пробы грунта и проведя необходимые тесты комиссия вынесла единый вердикт — ни одна скважина не имеет утечек и к газификации пресной воды отношения не имеют. EPA проиграли два суда, компании и второй суд непосредственно ЖД комиссии, после чего директор EPA, — доктор Ал Армендариз уволился «по собственному желанию».

К слову, проблема газификации воды действительно есть, но она никак не связана с ГРП, а связана с очень неглубоким залеганием метана. Газ из верхних слоев постепенно поднимается наверх и попадает в водные скважины. Это естественный процесс, никак не связанный вообще с добычей и бурением. Такой газификации подвержены не только водные скважины, но и озера и родники.
***
Справа — ковш смесителя. Слева — контейнер с проппантом. Проппант подается в ковш на конвейерной ленте, после чего смеситель забирает его в центрифугу, где происходит его смешение с водой и химическими добавками. После чего гель подается к помпам.

15. А теперь дорогие читатели, сядьте поудобнее, запаситесь попкорном и пристегните ремни — я расскажу о нашумевшем видео, в котором люди поджигают воду текущую из-под крана.

Сразу за историей с нерадивым доктором из EPA, ЖД комиссия обратила свой взор на очень популярное видео, которое к тому моменту где только не показывали. Некий Стивен Липский, хозяин скважин с пресной водой, и консультант по вопросом окружающей среды Алиса Рич сняли видео, в котором они поджигают воду, идущую из-под крана. Водозабор производился из водных скважин Стивена. Вода загорелась, якобы, из-за высокой концентрации газа, в которой виновата нефтяная компания со своим злосчастным ГРП. На самом деле, при расследовании, оба обвиняемых сознались, что к системе трубопровода был подключен баллон с пропаном, и сделано это было с целью привлечения новостных ведомств, которое заставило бы людей верить в то, что ГРП виновато в газификации пресной воды. В данном случае было доказано, что Алиса Рич знала о фальсификации, но хотела передать заведомо ложные данные в EPA и между Алисой и Стивеном был сговор, для оклеветанная деятельности компании. Опять же, было доказано, что компания и процесс ГРП не наносят вреда окружающей среде. После этого инцидента, кстати, все как-то сконфуженно притихли относительно обвинений ГРП в газификации воды. Видимо отправляться за решетку никто не торопится. Или все разом поняли, что процесс этот естественен и был до появления ГРП?

Итак, подводя итог всему вышесказанному — любая деятельность человека наносит вред окружающей среде, добыча нефти — не исключение. ГРП, сам по себе, не наносит вреда окружающей среде, и в широком масштабе существует в промышленности уже более 60 лет. Химические добавки, закачиваемые в процессе ГРП на большую глубину не представляют никакой угрозы верхним водным слоям. Действительной проблемой сегодня является цементаж и сохранение целостности скважин, над которой компании усиленно работают. А химических элементов и грязи, которые способны отравить пресную воду, в нефтенасыщенных пластах хватает и без ГРП. Сам же процесс газификации естественен и о такой проблеме знали и без ГРП, с этой проблемой боролись и до ГРП.

Сегодня нефтяная промышленность намного чище и экологичное, чем когда-либо в истории, и продолжает бороться за сохранение окружающей среды, а многие истории и байки идут от очень недобросовестных работников официальных ведомств. К сожалению, такие истории очень быстро остаются в памяти большинства людей, и очень медленно опровергаются фактами, которые мало кому интересны.
Так же нужно не забывать, что война с нефтяными компаниями была, есть и будет всегда, и дешевый газ в огромных объемах не всем ко двору.

Важно, дополнение:
В связи с тем, что в комментариях начали появляться упоминания про Пенсильванию и наличие газа в скважинах с пресной водой, я решил так же прояснить данный вопрос. Пенсильвания очень богата газом, и один из самых мощных бумов газового горизонтального бурения пришелся как раз на этот штат, в особенности на северную его часть. Проблема в том, что залежей газа (метана и этана) в штате несколько. Залежи верхнего газа называются Devonian, в то время как залежи глубокого сланцевого газа имеют название Marcellus. После детального молекулярного анализа состава газа, и проверки 1 701 водной скважины (с 2008 по 2011 года) на севере штата, был дан единый вердикт — в водных скважинах нет сланцевого газа, а присутствует метан и этан из верхнего слоя Devonian. Газификация скважин естественна и связана с геологическими процессами, идентично проблеме Техаса. Процесс ГРП никак не способствует миграции сланцевого газа на поверхность.

Кроме того, в Пенсильвании, в связи с тем, что это был один из первых штатов в США вообще, сохранилось очень, очень много документов, уходящих в историю вплоть до начала 1800-х годов, в которых упоминаются горящие ручьи, а так же воспламеняющиеся источники воды, с обильной концентрацией газа в ней. Есть масса документов, в которых упоминается наличие очень высокой концентрации метана на глубине 20, лишь 20 метров! Масса документов указывает на очень высокую концентрацию метана в реках и ручьях, более 10 mg/L. Поэтому, в отличие от Техаса, где о подобных документах я лично ничего не слышал, в Пенсильвании проблема газификации была задокументированная еще до начала вообще хоть какого-либо бурения как такового. Поэтому о каком вреде ГРП идет речь, если есть документы которым более 200 лет, а так же молекулярно доказано, что газ в водных скважинах не является сланцевым? Организации, борющиеся с ГРП о таких документах почему-то забывают, либо подобными исследованиями не занимаются и не интересуются.

Так же стоит обратить внимание на то, что Пенсильвания является одним из штатов, который требует у операторов анализа качества пресной воды, согласно Акту 13, до начала бурения, для отслеживания уровня возможного загрязнения. Так вот, при анализе качества воды, почти всегда допустимая концентрация растворенного газа, 7000 μg/L, является превышенной. Вопрос, почему тогда люди не жаловались на состояние здоровья, экологию и загубленную землю на протяжении двухсот лет, а вдруг спохватились массово жаловаться с началом газового бурения? (9).
Газификация естесственна, и не является следствием ГРП и бурения вообще, эта проблема есть в любой стране, с залежами газа на поверхности.

Постскриптум:
Я думаю, многим будет интересно узнать о ГРП в России. На сегодняшний день в России работает около сотни комплексов ГРП. Все комплексы — иностранной сборки. Интерес к ГРП Россия проявляет с послевоенных времен, но в связи с огромными запасами газа в принципе ГРП не имеет бурного развития на сегодняшний день. Хотя работы и тесты проводятся.

Дисклеймер:
1. По-английски слово «frac» произноситься как «фрак», а не как «фрекинг». Поэтому несмотря на такую фонетическую транскрипцию на русский язык — данное слово я не употреблял.
2. Все статистические данные приведенные в тексте относятся исключительно к континентальной части США.
3. Данная заметка скорее краткий очерк, т.к. для детального разбора проблем связанных с ГРП требуется написание, скорее книги, чем заметки.
4. Заметка отражает мое личное мнение, основанное на опыте работы. Это не научная статья и не проблемный очерк. Цитирование данного текста в каких-либо научных работах, статьях, или очерках — запрещено. Для цитирования или исследования данного вопроса пользоваться лишь оригинальными текстами документов, перечисленных в библиографии.

Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите Аслану (shauey@yandex.ru) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта Как это сделано

Еще раз напомню, что посты теперь можно читать на канале в Телеграме

и как обычно в инстаграме.    Жмите на ссылки, подписывайтесь и комментируйте, если вопросы по делу, я всегда отвечаю.

Все авторские ролики загружаются на мой канал, поддержите его подпиской, кликнув по этой ссылке — Как это сделано или по этой картинке. Спасибо всем подписавшимся!